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Il Terreno
- Idrologia -
Agronomia
Il terreno
Idrologia: contenuto idrico del suolo
Il contenuto d’acqua nel suolo si esprime come:
• % di acqua in peso rispetto al terreno secco
Campione (es. trivella), peso fresco e poi essiccazione in stufa a 105 °C fino a peso costante
• % di acqua in volume θ
Si può ottenere pesando fresco e dopo essiccamento in stufa un volume noto di suolo (es. cilindretti per massa volumica apparente)
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100*peso
)peso(pesoO%H
secco
seccoumido2
100*Volume
pesopeso volO%H
seccoumido2
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Idrologia: contenuto idrico del suolo
Il contenuto d’acqua nel suolo si esprime come:
• % rispetto alla saturazione= θ / θsaturo
utile per confrontare diversi terreni
in prima approssimazione θsaturo= porosità…
… ma in realtà non è vero, perché non tutta la porosità è riempibile dall’acqua: dell’aria rimane sempre intrappolata nel terreno
θsaturo = 0.98-0.70 · porosità, normalmente 0.9 · porosità
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Il terreno
Idrologia: contenuto idrico del suolo
Altre tecniche (alcune) per la misura/stima del contenuto idrico nel suolo:
• TDR (time domain reflectometry):
misura la capacità di un condensatore costituito dal suolo, nel quale vengono inserite 2 bacchette metalliche parallele
siccome la costante dielettrica dell’acqua è circa 80, quella delle componenti minerali circa 2, quella della sostanza organica circa 4, la capacità dipende praticamente solo dall’acqua
affidabile e preciso, misura in volume.
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Idrologia: contenuto idrico del suolo
{… continua…}
• Sonda a neutroni:
da una sorgente radioattiva vengono emessi neutroni, che vengono rallentati solo dalla collisione con atomi di H (che sono quasi tutti appartenenti all’acqua)
la lettura è affidata a un ricevitore sensibile solo ai neutroni lenti
metodo molto preciso, va però tarato e ha problemi per l’uso di sorgenti radioattive
legge però solo strati di 25-30 cm diterreno e non va molto bene per iprimi 30 cm
Misura in volume
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Idrologia: contenuto idrico del suolo
{… continua…}
• Blocchetti di Bouyoucos:
2 elettrodi sono annegati in un blocchetto di gesso, e la resistenza varia in funzione dell’umidità (il gesso si dissocia)
Poco precisi, vanno tarati in ogni terreno
Costano poco e vanno bene per applicazioni pratiche(determinazione del momento in cui irrigare)
• Psicrometri:
misurano l’umidità dell’aria nel suolo, che dipende dal contenuto idrico
misura difficile perché l’aria nel suolo è quasi sempre prossima alla saturazione: occorre precisione nella gamma di UR dal 95 al 100%
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Idrologia: il potenziale
Il potenziale dell’acqua (ψ) è l’energia per unità di massa o volume di acqua in
un sistema, in rapporto a quella dell’acqua libera.
Generalmente occorre lavoro per estrarre dell’acqua dal suolo e quindi il potenziale è negativo.
• Rispetto alla massa il potenziale si esprime in J kg-1
• Rispetto al volume in J m-3. Siccome la massa di 1 m3 di acqua è circa 1000 kg, 1 J m-3 = 1000 J kg-1
• Come pressione e si esprime in Pascal (Pa = 1 N m-2, unità del S.I.). Normalmente si usano i KPa.
Altra espressione è in bar (1 bar = 105 Pa = 100 KPa).
Sarebbe meglio usare i J kg-1, poiché la massa dell’acqua non cambia, mentre il volume dell’acqua cambia (anche se di poco) con pressione e temperatura
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Idrologia: il potenzialeAgronomia
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Idrologia: il potenzialeAgronomia
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Idrologia: il potenzialeAgronomia
Il terreno
Idrologia: le componenti del potenziale
Il potenziale totale dell’acqua del suolo è la somma di diverse componenti:
• ψ matriciale:
Dovuto alla capillarità, interazione tra liquido e matrice solida.
E’ la componente predominante in suoli asciutti.
• ψ osmotico:
Lavoro richiesto per trasportare l’acqua da una soluzione all’acqua pura: per osmosi, l’acqua sarebbe attratta da un’area a bassa concentrazione verso un’altra a maggior concentrazione.
Poco importante nel suolo, fondamentale nelle cellule delle piante, determina l’assorbimento d’acqua.
• ψ gravitazionale:
Dovuto alla distanza della particella di acqua considerata rispetto al piano di riferimento.
Predomina in suoli bagnati.
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Idrologia: le componenti del potenziale
Il potenziale totale dell’acqua del suolo è la somma di diverse componenti:
{… continua…}
• ψ pneumatico o idrostatico:
Variazioni di potenziale dovuto all’applicazione di pressione idrostatica o pneumatica all’acqua: falde in pressione.
• ψ di sovraccarico (overburden):
Effetto di una pressione applicata alla matrice solida: parte della pressione è trasferita all’acqua stessa.
Può essere importante in profondità in terreni argillosi, deformabili, ai quali viene applicato il peso del terreno sovrastante.
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Idrologia: la misura del potenziale
Tensiometro:
• Un bulbo di ceramica porosa, che permette il passaggio dell’acqua ma non dell’aria è collegato a un tubo riempito d’acqua e a un manometro
• Il sistema si equilibra con il potenziale dell’acqua nel suolo e il manometro misura la depressione.
• Gamma di funzionamento: da 0 a -75 KPa (a tensioni più elevate entra aria).
• Ottima precisione, limitata gamma di utilizzazione, però i flussi idrici più importanti avvengono nella gamma misurata dal tensiometro.
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Il terreno
Relazioni tra potenziale e contenuto idrico
Camera di Richards:
• I campioni di suolo vengono appoggiati su una piastra porosa, permeabile all’acqua e non all’aria, poi sottoposti a una pressione predefinita.
• Al raggiungimento dell’equilibrio (fine dello gocciolamento) si determina l’umidità del campione.
si ha quindi l’umidità in corrispondenza della pressione esercitata.
• Limiti: il terreno deve essere preparato setacciandolo a 2 mm dopo essiccazione all’aria, per basse tensione i valori sono solo indicativi, a alti potenziali vanno bene.
• Gamma: da -5 a -1500 Kpa.
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Apparato di
Richards: camere a
pressione (sinistra)
e particolare di un
piatto poroso con
campione
rimaneggiato
(destra).
Il terreno
Relazioni tra potenziale e contenuto idrico
Metodo per evaporazione (metodo di Wind):
• In un campione di suolo prelevato con un cilindretto tipo densità, ma più grande, si mettono alcuni microtensiometri e si pone su una bilancia o cella di carico.
• Dopo alcuni cicli di umidificazione-essiccamento si determina l’umidità e quindi si conosce la curva umidità-tensione.
• Buon metodo
• Costoso per la necessità di automazione
• Limitato alla gamma difunzionamento deitensiometri
• Problemi dirappresentativitàdel campione
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Il terreno
Relazioni tra potenziale e contenuto idrico
• Sono state proposte molte funzioni per correlare il potenziale matricialeall’umidità del suolo.
• Tutte sono caratterizzate da alta non linearità.
• Tra queste, la funzione di Campbell (la più semplice, ma in gran parte dei terreni ha ottima aderenza ai dati misurati):
a è il valore di tensione a cui l’aria può cominciare a entrare nel suolo, b è un parametro empirico.
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Relazioni tra potenziale e contenuto idricoAgronomia
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Relazioni tra potenziale e contenuto idrico (es.)Agronomia
Il terreno
Conducibilità idrica
• E’ l’altezza d’acqua (cm h-1 e mm d-1 le espressioni più comuni, m s-1 più corretta) che si muove in una sezione di suolo nell’unità di tempo.
• Il valore è massimo con terreno alla saturazione (Ks, conducibilità idrica alla saturazione) e decresce rapidamente al diminuire dell’umidità.
• La Ks è estremamente variabile, da 0.1 a 100 cm h-1 secondo la tipologia di suolo
è massima nei suoli sabbiosi e minima in quelli argillosi.
• E’ estremamente variabile nello spazio, in uno stesso appezzamento si possono trovare valori differenti di 2-3 ordini di grandezza.
• Difficile trovare dipendenze di Ks dalla granulometria:
la presenza di crepe, macropori dovuti a radici e lombrichi ecc. rendono difficile il trovare un pedotransfer (ne esistono, ma danno risultati molto approssimativi).
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Il terreno
Conducibilità idrica
• Espressioni matematiche del variare di K in funzione del contenuto idrico o della tensione sono le seguenti (Campbell, Brooks e Corey)
K=Ks(θ/θs)2b+3
K=Ks(ψe/ψ)2+3/b
b è lo stesso b della relazione θ - ψ e ψe = air entry value.
• Le funzioni indicano che la conducibilità decresce più rapidamente in terreni sabbiosi (anche se hanno Ks più alta, a è più negativo e b è più grande) che in terreni argillosi.
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Il terreno
Conducibilità idrica
…in pratica… la conducibilità idrica è la capacità del terreno di farsi attraversare dall’acqua.
• Dipende da:
Tessitura e struttura → porosità
mm h-1
Molto permeabile > 150
Permeabile 50-150
Mediamente permeabile 15-50
Mediocremente permeabile 5-15
Poco permeabile 1-5
Molto poco permeabile < 1
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Il terreno
Conducibilità idrica
La conducibilità idrica condiziona:
• movimento dell’acqua nel terreno: sgrondo delle acque in eccesso
• velocità di infiltrazione dell’acqua di pioggia: runoff, pioggia utile
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Il terreno
Movimento dell'acqua nel terreno
• L’acqua nel terreno si muove
da punti a potenziale più basso (meno negativo) a punti a potenziale più alto (più negativi)
a una velocità determinata dal gradiente di potenziale e dalla conducibilità, ovviamente conservando la massa.
• Il flusso segue la legge di Darcy (generalizzata):
Q(flusso) = 𝐾 Ψ𝑑Ψ
𝑑𝑧
• cioè il flusso è uguale alla conducibilità al potenziale ψ per il
gradiente di potenziale in funzione dello spazio (sarebbe in 3 dimensioni, per semplicità qui moto unidimensionale verticale).
• Poiché il fenomeno avviene in maniera variabile nel tempo (con l’apporto o l’allontanamento di acqua e con i suoi movimenti) lo stato del sistema non è stazionario.
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Il terreno
Movimento dell'acqua nel terreno
• L’equazione di continuità asserisce:
𝑑𝜃
𝑑𝑡=𝑑𝑄
𝑑𝑧
• quindi si può sostituire nell’equazione di continuità il Q ottenuto dalla legge di Darcy:
𝑑𝜃
𝑑𝑡=𝑑 𝐾 Ψ
𝑑Ψ𝑑𝑧
𝑑𝑧
…Che è l’equazione di Richards
• Se si assume una relazione ψ - θ allora si può avere una sola incognita (θ o ψ).
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Il terreno
Pregi e difetti dell'equazione di Richards
• PREGI:
Processo con buona descrizione fisica
Può considerare diverse condizioni di contorno (superficie con lama d’acqua, presenza di falda, lisimetro)
Risultati di simulazione di umidità e tensioni misurate buoni anche in terreni stratificati
• DIFETTI
Soluzione analitica possibile solo in casi particolari
Difficoltà di soluzione numerica
Tempi di calcolo lunghi
Non considera la macroporosità e quindi i flussi preferenziali
Non considera l’isteresi nelle curve tensiometriche
Difficoltà parametrizzazione: difficile stimare conducibilità non satura
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Nel complesso è un ottimo trattamento del problema!
Il terreno
Il modello a serbatoi
• Il modello a serbatoi è stato sviluppato per esigenze di semplicità
• Suppone la divisione del terreno in strati omogenei
• L’acqua passa da uno strato all’altro solo quando lo strato sovrastante ha superato la capacità di campo.
• Pregi
Modello molto semplice numericamente
Richiede pochi parametri
Simulazioni discrete in terreni omogenei
• Difetti
Non funziona per nulla in presenza di falda e in terreni stratificati
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Il terreno
Esempi di domande
• Come si esprime il contenuto di acqua nel suolo?
• Definire il punto di appassimento e le sue conseguenze.
• Tecniche di misurazione del contenuto idrico del suolo.
• Potenziale dell’acqua e sue componenti.
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